Рисунок 2.2 - Структура элементной базы РЭА.
2.5 Модели РЭ для САПР электронных схем
2.5.1 Встроенные модели
В современных САПР электронных схем, например, PSpice широко используются встроенные модели. В системе PSpice в состав этих моделей входят модели диода, биполярного транзистора, канального полевого транзистора, МОП-транзистора и магнитного сердечника. Указанные модели позволяют рассчитывать статические линейные и нелинейные динамические режимы. В основу моделей диодов и транзисторов положены идеи выдвинутые Эберсом и Моллом. В этих моделях отражены достижения последних десятилетий.
К достоинствам встроенных моделей можно отнести:
элементы, указанные выше, можно аттестовать по справочным данным;
в зависимости от решаемой задачи можно определить уровень сложности моделей, тем самым оптимизируя процесс вычисления;
для МОП транзистора предлагается 4 уровня сложности, а для биполярного транзистора 3, кроме моделей Гуммеля-Пунна аттестуемой 59 параметрами и константами.
Также предусмотрены усеченное использование моделей Эберса-Молла на основе 16-20 параметров, предоставление пользователю корректировки встроенных моделей.
К недостаткам встроенных моделей, приведенных в литературе /2/ следует отнести их сложность. Анализ показывает, что для расчета малосигнальной модели биполярного транзистора требуется использовать практически весь математический аппарат нелинейного варианта его модели.
Также к недостаткам следует отнести ограниченный частотный диапазон. По данным /2/ частотный диапазон биполярного транзистора ограничен 100 МГц. Отсутствие достаточного объема справочной информации и связанной с этим необходимость организации сбора дополнительной информации, путем реализации дополнительных измерительных процессов.
2.5.2 Макромодели
В САПР высокого уровня (например, PSpice) предусмотрено использование макромоделей ряда элементов (операционные усилители, компараторы напряжения, СВЧ транзисторы, нелинейные резисторы, конденсаторы и т.п.) идентификация параметров которых производится пользователем. Успех моделирования в этом случае определяют методы и условия измерения. Пользователю предоставляется возможность идентификации параметров модели в условиях, наиболее приближенному к реальному использованию. Так встроенные модели в библиотеке PSpice адекватны на частотах только до 100 МГц, то макромодели, в том числе малосигнальные модели имеют большое значение при расчетах электронных схем СВЧ диапазона. Также представляют большой практический интерес методы измерения параметров этих моделей.
Второй способ построения высокочастотных моделей транзисторов основан на применении их малосигнальных схем замещения. В таком случае сначала с помощью типовых моделей транзисторов рассчитывается режим цепи по постоянному току и для этого режима измеряются, или рассчитываются, Y или Sпараметры транзисторов в заданном диапазоне частот. Рассмотрим эти схемы замещения для программы PSpice подробнее.
Макромодель на основе Yпараметров. Напомним уравнение линейного 4-полюсника (рисунке 2.3) в системе Yпараметров
(2.12)
Рисунок. 2.3 - Линейный 4-полюсник
Этой системе уравнений поставим в соответствие схему замещения транзистора на основе ИТУН (рисунок 2.4).
Рисунок 2.4 - Макромодель транзистора на основе Yпараметров
Приведем пример формальной макромодели транзистора КТ315В на основе Yпараметров, измеренных на частотах 5, 10 и 30 МГц для тока коллектора Iк=5 мА:
.subckt KT315V 2 1 3
G11 1 3 FREQ {V(1,3)}=
+ ( 5e6, -50.3, 31.6) (10e6, -48.0, 36.9) (30e6, -44.3, 41.0)
G12 1 3 FREQ {V(2,3)}=
+ ( 5e6, -78.4, 181.9) (10e6, -72.7, 184.5) (30e6, -63.1, 183.7)
G21 2 3 FREQ {V(1,3)}=
+ ( 5e6, -18.7, -20.8) (10e6, -20.0, -31.9) (30e6, -25.5, -44.2)
G22 2 3 FREQ {V(2,3)}=
+ ( 5e6, -67.4, 63.4) (10e6, -63.3, 56.3) (30e6, -59.4, 54.1)
.ends
При табличном задании управляемых источников в частотной области для каждого значения частоты указывается модуль передаточной функции в децибелах и ее фаза в градусах.
Макромодель на основе Sпараметров. В диапазоне СВЧ большее распространение имеют линейные макромодели транзисторов на основе Sпараметров, которые в этом диапазоне частот проще измерять, чем Yпараметры. Напомним, что для 4-полюсника на рисунке 2.3 справедливо следующее уравнение в терминах Sпараметров:
, (2.13)
где падающие и отраженные волны мощности;
Z волновое сопротивление тракта, в котором измерены Sпараметры транзистора.
Из этих соотношений вытекают уравнения для входного и выходного напряжений, в которые входят управляемые источники напряжения:
, (2.14)
где
На основе этой системы уравнений составляется линеаризованная схема замещения СВЧтранзистора (рисунок 2.5). В качестве примера приведем описание макромодели арсенид-галлиевого полевого транзистора 3П343 в диапазоне частот 4...12 ГГц при напряжении затвора 2 В и токе стока 10 мА:
.subckt 3P343 2 1 3
RZ1 1 11 50
RZ2 2 21 50
E11 11 12 FREQ {V(1,3)+V(1,11)} =
+ (4e9, -0.35, -28.3) (5e9, -0.54, -33.2) (6e9, -0.58, -35.9)
+ (7e9, -1.21, -41.9) (8e9, -1.01, -67.1) (9e9, -2.85, -56.9)
+ (10e9, -4.29, -32.8) (11e9, -1.94, -56.9) (12e9, -0.63, -65.2)
E12 12 3 FREQ {V(2,3)+V(2,21)}=
+ (4e9, -32.5, 77.0) (5e9, -29.5, 62.0) (6e9, -29.2, 72.4)
+ (7e9, -27.3, 65.0) (8e9, -23.5, 15.0) (9e9, -29.0, 66.1)
+ (10e9, -23.4, 36.6) (11e9, -25.4, 61.7) (12e9, -22.1, 40.4)
E21 21 22 FREQ {V(1,3)+V(1,11)}=
+ (4e9, 0.82, 149.8) (5e9, 2.30, 131.1) (6e9, 0.74, 134.3)
+ (7e9, 1.26, 129.0) (8e9, 0.43, 105.5) (9e9, 0.11, 123.2)
+ (10e9, 3.92, 87.5) (11e9, 2.40, 110.1) (12e9, 4.10, 85.0)
E22 22 3 FREQ {V(2,3)+V(2,21)}=
+ (4e9, -2.16, -26.4) (5e9, -1.21, -49.1) (6e9, -2.27, -45.1)
+ (7e9, -2.21, -34.4) (8e9, -2.62, -54.5) (9e9, -2.73, -52.7)
+ (10e9, -3.74, -17.2) (11e9, -3.48, -65.1) (12e9, -4.44, -62.4)
.ends
Рисунок 2.5 - Макромодель транзистора на основе Sпараметров
2.5.3 Факторные модели
Под факторной моделью будим понимать аналитическую макромодель, сформированную по результатам измерения параметров РЭ в процессе реализации активного факторного эксперимента. Каждый параметр в этом случае может быть выражен полиноминально
или мультипликативно
где
Gi - аттестуемый параметр;
pi - постоянная факторного уравнения;
gij - парциальное факторное уравнение, представляющее аналитическую
зависимость от j фактора;
xj - фактор представляющий функцию gij.
Таким способом могут быть аттестованы как статические параметры, например в виде вольт-амперных характеристик (ВАХ), так и динамические параметры, например в виде Y-параметров. В первую очередь факторное пространство определяет частотный диапазон, режим электропитания по постоянному току и температура. Могут быть добавлены и другие факторы, способные влиять на значение параметров модели.
В общем виде факторная модель может быть выражена двумя уравнениями. Уравнение ВАХ
I=I(X) (2.17)
и уравнением
Y=Y(,X) (2.18)
где I - вектор токов, определяющих рабочую точку;
Х - вектор факторов за исключением частоты;
Y - матрица проводимостей;
- угловая частота.
Каждую из вещественных составляющих уравнений (2.17) и (2.18) определяют в виде аналитических зависимостей (2.15) или (2.16).
Факторная модель наиболее полно отвечает аналитическим макромоделям, описание которых приведено в п. 2.5.2. Измерение статических и физических параметров факторных моделей может быть автоматизировано при использовании способа по АС СССР № 1317370 /3/ устройств по АС СССР №1084709 /5/. Способ /3/ и устройства /6,7/ не имеет принципиальных отличий по частотному диапазону и могут быть применены в СВЧ диапазоне. Использование этих устройств при применениях к СВЧ имеет определенные преимущества, т.к. для реализации основных измерительных операций не обязательно применение согласованного волнового тракта. Однако и в этом случае при конструировании измерительных цепей, которые содержат ИГ необходимо учитывать специфику цепей СВЧ диапазона.
Информация, представленная уравнениями (2.17) и (2.18) в принципе достаточна для описания макромоделей, приведенных в /8/. Например, для идентификации модели Эберса-Молла нужно расширить систему (2.17) и (2.18) добавив данные об инверсном режиме включения транзистора. При этом уравнение (2.18) используется для определения нелинейных зависимостей емкостей переходов транзистора.
3 Тестер для измерения параметров радиоэлектронных элементов
3.1 Методика измерения
3.1.1 Измерение статических параметров
В интегрированных САПР для расчета транзисторных схем в режиме большого сигнала, как правило, используют модели Эберса-Молла или Гуммеля-Пуна, основанные на суперпозиции прямого и инверсного включения транзистора /2,10/. В этом случае неизбежны искажения моделируемых вольтамперных характеристик (ВАХ), так как в основе их описания заложены свойства идеального p-n перехода, смещенного в прямом или обратном направлении.
В этой связи классическое определение ВАХ связанное с непосредственным измерением токов и напряжений на входных и выходных электродах транзистора имеет принципиальное значение как для корректировки указанных выше моделей, так и для изучения тонкой структуры процессов в транзисторе /11-13/.
В процессе планирования эксперимента при моделировании радиоэлементов важную роль имеет выбор непосредственно измеряемой системы параметров с точки зрения совместимости с требованиями к определяемой модели, методам и техническим средствам измерения в первую очередь должны быть реализованы два главных условия, во-первых, сокращение времени и материальных затрат на этапе сбора и обработки первичной информации, во-вторых, широкое использование алгоритмических методов измерения, позволяющих при реализации простых методов измерения получить сложные модели путем глубокой математической обработки информации.
Измерение ВАХ транзистора можно комплексно автоматизировать использовав методику измерения по А.С. СССР №1084709 /13/. При этом предоставляется возможным в процессе измерения ВАХ так же определять данные, достаточные для вычисления Y-параметров транзистора в каждой из точек спектра плана эксперимента, который реализуется в процессе измерения ВАХ. При этом аттестируется система ВАХ
Iб=Iб (Ik,Uk);
Uб=Uб(Ik,Uk),
где Iб и Uб - ток и напряжения базы транзистора соответственно;
Ik и Uk - ток и напряжение его коллектора.
При расчетах электронных устройств система практически не используется, однако при определении ее параметров относительно просто автоматизировать измерительный процесс и совместить определение статистических и динамических параметров на одной технологической установке 15.
Расширяя факторные пространства в температурную область из системы (3.1) получаем систему
Iб = Iб (Iк,Uк,To); (3.2)
Uб = Uб(Iк,Uк,To), (3.3)
где To - температура.
На практике наиболее широко используют ВАХ соответствующие системам Н-параметров (параметры ВАХ ток Iб и напряжение Uк) или Y-параметров (аргументы ВАХ напряжения Uб и Uк), т.е. системы
Iк = Iк (Iб,Uк); (3.4)
Uб = Uб(Iб,Uк), (3.5)
Iк = Iк (Uб,Uк); (3.6)
Iб = Iб(Uб,Uк). (3.7)
Если базовая система (3.1) соответствует полиминальной модели, то ее факторные функции (ФФ) имеют вид /5,14/
Iб = k1 + Iб (Iк) + Iб(Uк); (3.8)
Uб =k2 + Uб(Iк) + Uб (Uк), (3.9)
где k1 и k2 - постоянные факторных функций (ПФФ), а индексы 1 и 2 указывают на различие этих коэффициентов в первом и втором уравнениях системы; Iб (Iк), Iб(Uк), Uб(Iк), Uб (Uк) - аналитические функции, представляющие собой элементарные факторные функции (ЭФФ).
Iк = k1 + Iк (Iб) + Iк(Uк); (3.10)
Uб =k2 + Uб(Iб) + Uб (Uк) (3.11)
Iк = k1 + Iк (Iб) + Iк(Uк); (3.12)
Iб =k2 + Iб(Uб) + Uб (Uк). (3.13)
Преобразования параметров ФФ (3.8)-(3.9) в ФФ (3.10)-(3.11) или (3.13)-(3.14) было предложено производить по табличным значениям ЭФФ системы (3.8)-(3.9).
Определение ЭФФ Iк (Iб) и Uк (Uб) не представляет сложности, так как они представляют собой обратные функции ЭФФ Iб (Iк) и Uб (Uк). Для определения ЭФФ Uб (Iб) можно использовать ЭФФ Uб (Iк) в которую нужно подставить табличные значения ЭФФ Iк (Iб). Таким же способом по ЭФФ Uб (Uк) и Iк (Iб) находим ЭФФ Iк (Uб(Uк)) и на последнем этапе ЭФФ Iб (Uб) определяем через ЭФФ Iб (Iк) и Iк (Uб), т.е. в виде Iб (Iк(Uб)).
Аналитически ЭФФ определены числовым методом трем их табличным значениям.
Каждая из ЭФФ отвечает одному из уравнений, приведенных в таблице 3.1
Таблица 3.1 - Структура ЭФФ
|
Код
|
Структура
|
|
|
1
|
f1=ax2+bx+c
|
|
|
2
|
f2=ln(f1)
|
|
|
3
|
f3=exp(f1)
|
|
|
4
|
f4=a/(x+b)+c
|
|
|
5
|
f5=a; b=c=0
|
|
|
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|
Знание — сила. Библиотека научных работ.
Блок управления и контроля автоматизированного тестера параметров радиоэлементов 
Наверх